«Фабрика технологий» — совместный проект РБК Екатеринбург и Уральского федерального университета о достижениях и новых разработках ученых. В этом выпуске заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов объясняет, почему традиционное производство магнитных материалов больше не отвечает требованиям высокотехнологичных отраслей и как аддитивные технологии позволяют не только изготавливать уникальные изделия без оснастки, но и точно управлять их свойствами — вплоть до микроскопического уровня.
Интервью с Алексеем Волеговым можно не только читать, но и смотреть.
— В чем суть вашей разработки и чем она отличается от традиционного производства магнитных материалов?
— Чтобы понять наш подход, сначала стоит объяснить классический метод. Основной магнитомягкий материал — электротехническая сталь. Ее выплавляют, прокатывают, получают лист, покрывают изолирующим слоем, а затем из этого листа вырубают куски нужной формы, из которых собирают изделия. Этот способ хорошо работает, когда нужно произвести тысячи единиц продукции. Но если требуется одно уникальное изделие, все равно приходится изготавливать дорогостоящую оснастку.
Мы подходим к этому иначе. Берем металлический порошок, из которого хотим получить магнитный элемент, и спекаем или сплавляем его послойно с помощью лазера. Это позволяет сразу создавать изделие нужной формы. При этом можно использовать комбинации различных магнитных и немагнитных материалов, управляя их свойствами с точностью до толщины человеческого волоса.
— Почему именно 3D-печать? Что она дает, кроме гибкости?
— Аддитивные технологии изначально создавали для конструкционных материалов — там, где важна механическая прочность. Но с развитием микроэлектроники стало ясно, что необходимы и функциональные материалы, в том числе магнитные. Иногда требуется встроить небольшой трансформатор или магнитный элемент с заданными свойствами в ограниченное пространство. Здесь и помогает 3D-печать.
Помимо формы, ее главное преимущество — возможность пространственно варьировать свойства. Мы можем создать участок, проводящий ток, а рядом — изолирующий. Или объединить магнитомягкий и магнитотвердый материалы в одном элементе — причем на масштабе, сопоставимом с диаметром человеческого волоса. Традиционные технологии этого не позволяют. Это особенно важно в условиях миниатюризации — например, в электронике, робототехнике, медицинских устройствах.
— С какими материалами вы работаете сейчас и что планируете использовать в будущем?
— Фундаментальными исследованиями мы занимаемся за счет средств программы «Приоритет-2030». Сейчас мы отрабатываем все на чистом железе. Оно доступно, выпускается в виде порошка и удобно для исследований. Но у него есть ограничения — например, высокая анизотропия. Поэтому мы экспериментируем с добавками оксидов, чтобы задать нужные функциональные свойства.
Следующий шаг — переход к пермаллоевым сплавам (железо + никель), отличающимся низкой магнитострикцией. Магнитострикция — причина того самого гула, который слышен рядом с трансформаторной будкой. Он возникает, когда материал при перемагничивании немного меняет линейные размеры. У пермаллоя этот эффект минимален.
Также хотим поработать с аморфными материалами, но с ними сложнее: после расплавления их нужно очень быстро охлаждать, а в рамках 3D-печати это пока затруднительно.
— Насколько экономически эффективна эта технология? Можно ли говорить о коммерческой реализации?
— Пока говорить об окупаемости рано. Принтеры и порошки все еще дороги, но цены снижаются — за последние годы оборудование подешевело в 2–3 раза.
При выпуске больших партий — десятки тысяч штук — традиционное производство остается дешевле. Но при объемах до 1000–2000 единиц аддитивные технологии выигрывают за счет экономии на оснастке и гибкости.
— Где может найти применение такая технология? Есть ли уже интерес со стороны бизнеса?
— Пока технология еще разрабатывается, трудно точно сказать, где она найдет основное применение. Потенциально она пригодится в самых разных сферах — от мобильной электроники до электромобилей и аэрокосмической отрасли. Например, в зарядных устройствах, блоках питания, трансформаторах нового типа.
Это особенно важно на этапе прототипирования новых устройств. Крупные корпорации уже проявляют интерес — несколько лет назад, например, Huawei искала ученых, готовых развивать печать магнитомягких материалов.
— На каком этапе находится разработка?
— Мы прошли начальный этап: показали, что можно печатать магнитные материалы, и в ряде случаев это целесообразно. Сейчас улучшаем характеристики — подбираем оптимальные параметры, отлаживаем термообработку. Пока это вторая ступень технологической готовности.
Если появится инвестор или заказчик, который скажет: «Вот средства, через два года нужен готовый продукт», — мы сможем довести технологию до внедрения. Без такого импульса будем развивать ее в исследовательском темпе и выйдем на промышленный уровень за 3–4 года.
— Может ли эта технология в будущем заменить традиционные методы производства магнитных материалов?
— Полного вытеснения не произойдет, поскольку традиционные технологии по-прежнему эффективны при массовом производстве. Но аддитивные методы займут свою нишу: небольшие партии, сложные формы, кастомизация, новые устройства. Это будет дополнение, а не замена — как сейчас сосуществуют электрические и бензиновые автомобили.
